LAN-Steuerungsverfahren lokaler Netzwerke

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Token-Passing-Steuerungsverfahren

Das Token-Steuerungsverfahren für die Realisierung des wechselseitigen Ausschlusses auf einem schnellen Kommunikationsmedium basiert darauf, dass derjenige, der gerade mit einer Sendung fertig geworden ist, das Senderecht an einen (physikalisch oder logisch bestimmten) Nachfolger weitergibt. Dieser darf dann, falls er etwas senden möchte, eine gewisse Zeit senden und muss danach das Senderecht erneut weitergeben.

Hat der Token-Empfänger nichts zu senden, so gibt er den Token direkt an seinen Nachfolger weiter. Unter der Annahme, dass die Sendezeit beschränkt ist und dass man keine Station bei der Weitergabe des Tokens übergeht, ist das Verfahren fair, da jeder nach endlicher Wartezeit, deren Maximum vorhersehbar ist, an die Reihe kommt.

Man kann dieses Verfahren auf einem LAN-Ring physikalisch realisieren, da durch die Anordnung der Stationen im Ring die Nachfolgerelation klar ist. Gleichermaßen ist es möglich, einem Bus-LAN, bei dem ja keine Voraussetzungen über die Anordnung der Stationen existieren, eine logische Kontrollstruktur durch Speicherverweise aufzuerlegen, die es erlaubt, das Token-Steuerungsverfahren anzuwenden (Token Bus). Beispiele finden sich vor allem in der industriellen Fertigungsumgebung. Vorteilhaft hieran ist die Mischung der Vorzüge der Token-Steuerung (Konfliktfreiheit, Determinismus) mit den Vorzügen des Bus-LAN-Typs (Flexibilität, direkte Sendung von der Quelle zum Ziel).

CSMA-Steuerungsverfahren

CSMA ist eine Abkürzung für Carrier Sense Multiple Access, was bedeutet, dass sich die Stationen dadurch synchronisieren, dass eine sendewillige Station zunächst den Kanal abhört (Carrier Sensing), bevor sie sendet. Beim CSMA/CD-Verfahren (CD für Collision Detection) darf eine Station nur dann senden, wenn das Medium nicht schon durch eine andere Station belegt ist. Ist das Medium belegt, wartet die Station so lange, bis das Medium frei ist und sie senden kann. Aufschluss über den Zustand des Mediums bekommt die Station durch das Abhören. Warten nun mehrere Stationen darauf, Nachrichten über das LAN zu übertragen, kann es passieren, dass mehrere Stationen gleichzeitig ihre Daten auf das Medium senden, da sie alle zum selben Zeitpunkt das LAN als frei erkennen. Es kommt zu einer Kollision bzw. zur Überlagerung der Nachrichten. Da jede Station das LAN auch während des Sendevorgangs abhört, kann die Kollision sofort erkannt und das Senden gestoppt werden. Die Zeit, in der der Fehler auftritt wird somit verkürzt.

Die Zeit, in der eine Kollision möglich ist, ist die Zeit, die das Signal maximal braucht, um sich von einer Station zu einer anderen auszubreiten. Station A am einen Ende des Busses fängt an zu senden; kurz bevor das Signal die Station B am anderen Ende des Busses erreicht hat, fängt diese ihrerseits an zu senden. Es kommt zur Kollision.

Die Zeit, die maximal bis zum Erkennen einer Kollision vergeht, ist doppelt so lang: Das überlagerte Signal muss ja bis zur ursprünglich als erste sendenden Station zurückkommen, damit auch sie die Kollision erkennt. Diese Zeit wird auch Kollisionsfenster genannt. Ist eine Sendezeit ohne Kollision vergangen, die größer als das Kollisionsfenster ist, so kann keine Kollision mehr eintreten, da dann alle Stationen, die unter Umständen senden wollen, den Kanal als belegt erkennen.

Nach einer Kollision muss neu gesendet werden. Damit nicht wieder beide Stationen gleichzeitig senden und eine neue Kollision so schon programmiert ist, wird in jeder von der Kollision betroffenen Station der so genannte Binary Exponential Backoff Algorithmus BEB angewendet:

Zur Verdeutlichung sei das Kollisionsfenster als Variable k festgelegt. Eine Zufallszahl zwischen 0 und 2E10 wird generiert. Diese Zufallszahl sei i. Die Station wartet nun i * k, bevor sie wieder sendet. Da bei zwei Stationen die Wahrscheinlichkeit sehr gering ist, dass sie dieselbe Zufallszahl generieren, hat die Station mit der kleineren Zahl den Kanal bereits erobert, wenn die andere wieder zu senden versucht. Es tritt keine erneute Kollision auf, die Station muss weiter warten. Kommt es beim nächsten Versuch, die Daten über das Medium zu übertragen, jedoch wieder zu einer Kollision, wird das Intervall, aus dem die Wartezeit bis zu einem erneuten Versuch gewürfelt wird, vergrößert.

Beim 16. erfolglosen Versuch, auf das Medium zuzugreifen, bricht das Verfahren ab und der Anwendung wird mitgeteilt, dass das Medium nicht verfügbar ist.

Dieser offensichtliche Nachteil des Verfahrens wird dadurch gemildert, dass im Normalfall das Medium häufig frei ist, also relativ selten Kollisionen auftreten, und die Daten direkt und im Gegensatz zu anderen Verfahren ohne Verzögerung übertragen werden können.

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